2.5 数字电视信号在线视频

这一小节我们来介绍数字电视信号

相对于模拟信号的传输

数字信号有很多的优势

比方说

易于频带压缩便于存储

那么我们现在基本上已经进入了

数字视频的时代

我们的电视系统

也从模拟电视转入数字电视

国际电信联盟无线电组

对于标准清晰度的电视就是SDTV

给出了BT-601的

数字电视信号标准

那么针对高清晰度电视也就是HDTV

制定了BT-709这样一个标准

针对于超高清的视频

就是USDTV

制定了BT2020这样的标准

那么再把模拟视频

转换为数字视频的时候

我们要完成一个采样的过程

那么我们下面就来看一下采样的时候

取样点的结构应该是什么样的

那么这个取样结构

我们指的是

取样点在光栅上构成的这种二维点阵

一般为了方便我们后续对

数字信息进行处理

那么我们一般选择

固定正交的这种结构

就是我们现在所看到的水平方向上

垂直方向上各个采样点都是对齐的

那么数字摄像器件

按照取样结构采集每一个图像

我们形成R G B三个二维的点阵

那么这样子的二维点阵

在经过一个线性转换

我们就可以把它转换为亮度和

两个色差分量所构成的矩阵

那么一个模拟信号

当我们把它转换为数字信号之后

它的数据量会急剧地增大

那么我们在数字域中面临的一个

重要的一个问题就是数据压缩的问题

所以说

对于我们通过采样得到的

数字视频的这个点阵数据

那么我们也希望得到的是一个尽量

数据量小的这样子的一个数据

所以我们在进行采样的时候

对于彩色图像来说

我们可以采用子取样的方式

来对于所获得的数据进行一个压缩

那么下面我们就来看一下

有这么四种不同的子采样的格式

那么我们可以实现这样子的子采样

是因为我们人的眼睛

有刚才我们所说的视觉特性

对亮度信号的分辨率高

对彩色分量的分辨率的

所以我们就对前面形成的

Y U V三个分量中的代表色度信息的

U V分量进行一个子采样

那么我们就有了相应的

子采样的采样格式

或者叫子取样的格式

我们现在所看到的这个图左边这个图

是没有进行子采样

也就是说

亮度分量和两个色差分量

形成的数据量是一样的

那么在这个图中

黑色的点代表的是亮度采样点

两个彩色的圈代表的是两个色差分量

那么我们可以看到在亮度

由采样点的位置上也同时

采集了两个色差分量

所以说这种子采样格式

我们把它叫做4:4:4采用格式

那么右边这个图

给出来的是一种子彩样的取样格式

我们看到

彩色的圈就跟亮度这个黑色的点之间

是4:1的关系

也就是说在水平方向上

四个亮度采样点才采集一组

UV这个色差分量

那么垂直方向上的是

有亮度采样的行都进行色度采样

那么这种子采样格式

我们把它叫做4:1:1格式

那除了这两种格式之外

我们还有其它的子采样格式

那么从这两个图示

我们也能够看到

右边的这种4:1:1的采样格式

它所形成的视频的数据量要比

左边4:4:4格式所形成的数据量要小

那么我们常用的子采样格式还有什么

右边我们先看左边的这个图

那左边的这个

采样格式能叫4:2:2格式

那么在这个采样结构中

亮度和色度是隔一个点采一个点

也就是说

我们的色度信号是跟亮度信号

采的数量不一样

隔一个亮度点采集一个一组色度信号

那么每一行我们看一下纵着来看

只要有亮度采样点的行都进行色度的采样

所以说这种

子采样的格式我们把它叫做是

4:2:2的格式

那么右边这张图

我们来看跟刚才不同的地方在于

纵方向上也是亮度和色度2抽1的关系

水平方向上是2抽1

纵方向上也是2抽1

这样子形成的取样结构

我们把它叫4:2:0的取样结构

那么

4:1:1 4:2:2和

4:2:0的这种子取样的格式

都能够实现对数字视频数据量的降低

那么我们可以这样做

基于的是我们人眼的视觉特性

那么我们再来看一下彩色空间

我们显示器件基色发光材料的色坐标

决定了这个器件所能够呈现的彩色范围

我们看这张图

那么这张图是一个

X Y Z坐标系下的一个蛇形图

那么在这个蛇形区域中

有两个虚线给出来的三角形

那么黄色虚线对应的这个三角形

它给出了SDTV就是高清电视

我们彩色还原的还原区

也就是说能够还原出来的彩色范围

是由这个黄色的虚线所框出来的这个区域来定义

那么红色虚线所包围的区域要

比黄色的这个虚线所包围的区域要大

那么这个对应的是我们超高清电视

所定义的三个基色材料

能够还原的彩色区

那么标准清晰度电视

高清电视以及超高清电视

对应的基色发光材料的坐标

在这张表中给出来了

那么基于这个不同的

基色发光材料的色坐标

我们还原出来的彩色范围是不一样的

那么从刚才的这个色度图中的

这个三角形区域我们就能够看到

那么对于三个数字电视的标准

SDTV HDTV USDTV

它所对应的主要参数

我们在这个表中列出来了

那么分辨率标清的分辨率是

720·480

这是对于60/秒的这种制式

720·576

对应的是50场/秒的这种知识

那么对于这个高清电视和超高清电视

那么也有相应的这个参数的定义

包括屏幕的宽高比以及每一个像素

描述的时候

我们的一个分量所使用的比特数

也就是每个样点对应的比特数

有8比特10比特最高到12比特

那么扫描的方式有隔行扫描有逐行扫描

那么帧率也是有不一样的

那么这张表就

把这些参数都给我们展示出来了

我们来看一下R G B三个模拟量

跟Y Cb Cr三个数字量之间的转换

亮度分量跟R G B三个分量

我们刚才前面说了

R G B三个量经过γ矫正之后

那么我们才用于后续的色差

以及亮度分量的求解

所以在这儿

我们看到亮度是由

这样一个关系式来得到

那么这里面的Kr Kg Kb

根据不同的标准

我们看到它取值是不一样的

也就是说

在标清 高清和超高清中

那么我们亮度计算是有区别的

区别在于

Kr Kg Kb这三个量是不一样的

那么但是这三个量的和是等于1的

这样我们就得到了模拟的亮度分量

用Y'来表示

那么两个色差分量

Cb'和Cr'

根据我们现在给出来的这个关系式进行计算

这样我们得到的Y'

它的取值在0到1之间

Cb' Cr'的取值在正负0.5之间

但是呢

这几个量都是连续量

那么我们还要把它转换为离散的数字量

这个时候

对于Y' Cb' Cr'

进行量化的量化公式

我们给出来

那么基于这样一个量化公式

我们最终得到的亮度分量

和两个色差分量的数字量

它的取值范围是不一样的

亮度在16到235之间取值

两个色差分量在16到240之间取值

那么我们Int的这个表达是指的是

对于我们后面的这个计算量进行取整

通过这样一个关系我们就能够把

模拟量转换为我们的数字量

那么我们在数字域中对视频进行处理

我们要面对的就是

Y Cb Cr这样子的数字量